Cold and warmth intensify pain-linked sodium channel gating effects and persistent currents

Mues, Sophia; Lampert, Angelika; Hausmann, Ralf

doi:10.18154/RWTH-2026-04596

Cold and warmth intensify pain-linked sodium channel gating effects and persistent currents

Mues, Sophia^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sophia Mues, geb. Kriegeskorte

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Lampert, Angelika (Thesis advisor)^RWTH* ; Hausmann, Ralf (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-04596
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1034264/files/1034264.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Neurophysiologie (512000-3 ; 921510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Spannungsabhängige Natriumkanäle (Navs) spielen eine physiologische Schlüsselrolle in erregbaren Geweben, da sie Aktionspotenziale erzeugen und weiterleiten und somit von entscheidender Bedeutung für die Erregbarkeit und das Temperaturempfinden sind. Mutationen in Genen, die Navs kodieren, können zu schweren Erbkrankheiten führen, und einige dieser so genannten Kanalerkrankungen zeigen temperatursensitive Phänotypen, z. B. Paramyotonia congenita, Brugada-Syndrom, fiebrige Anfallssyndrome und erbliche Schmerzsyndrome wie Erythromelalgie (IEM) und paroxysmale extreme Schmerzstörung (PEPD). Die meisten Untersuchungen zu mutationsbedingten Veränderungen der Schalteigenschaften wurden jedoch bei Raumtemperatur durchgeführt, so dass die Rolle von Körpertemperatur, Abkühlung oder Erwärmung bei Krankheiten, die durch Veränderungen in den Ionenkanälen verursacht werden, nach wie vor kaum verstanden wird. Wir haben die Temperatursensitivität von vier Nav-Subtypen (exprimiert in HEK293-Zellen) mit dem automatischen Patch-Clamp-System SyncroPatch 384 untersucht: Nav1.3, Nav1.5, Nav1.6 und Nav1.7 sowie zwei Mutationen in Nav1.7, die IEM (Nav1.7/L823R) und PEPD (Nav1.7/I1461T) verursachen. Die Experimente bei 15°C, 25°C und 35°C ergaben für alle untersuchten Subtypen eine Verschiebung des Mittelpunkts der Aktivierungsspannungsabhängigkeit (V1/2) zu stärker hyperpolarisierten Potenzialen mit steigender Temperatur. Die V1/2 der schnellen Steady-State-Inaktivierung war dagegen nahezu unbeeinflusst. Nav1.3 wies im Vergleich zu den anderen Subtypen eine stark verlangsamte Inaktivierungskinetik auf, die zu einem erhöhten Dauerstrom führte, insbesondere bei 15°C, was auf eine mögliche Rolle bei der kälteinduzierten Übererregbarkeit hinweist. Die beeinträchtigte schnelle Inaktivierung der PEPD-verursachenden Mutation Nav1.7/I1461T wurde durch Abkühlung auf 15°C deutlich verstärkt. Die subtypspezifische Modulation sowie die verstärkten mutationsinduzierten Gating-Änderungen unterstreichen die Bedeutung der Temperatur als Regulator für das Kanal-Gating und deren Einfluss auf die zelluläre Erregbarkeit sowie auf Krankheitsphänotypen. Detaillierte elektrophysiologische Untersuchungen von Navs bei verschiedenen Temperaturen sind unerlässlich, um die Eigenschaften zu verstehen und einen tieferen Einblick in die komplexen Gating-Mechanismen von Navs bei physiologischer Temperatur zu erhalten, da sonst wichtige Effekte übersehen werden könnten. Die in dieser Arbeit gesammelten Daten können die Grundlage für die Entwicklung detaillierter neuronaler Computermodelle auf der Basis von Hodgkin-Huxley- oder Markov-Modellen bilden, die von der hier gebotenen hohen n-Zahl profitieren. Das Verständnis der veränderten Gating-Mechanismen des temperatursensitiven Schmerzes in Verbindung mit Nav-Mutationen ist auch für die Identifizierung potenzieller therapeutischer Ziele und Strategien für die Behandlung dieser Krankheiten von wesentlicher Bedeutung.

Voltage gated sodium channels (Navs) play a key physiological role in excitable tissues as they generate and propagate action potentials and thus are crucial in excitability and temperature sensation. Mutations in genes encoding Navs can lead to severe inherited diseases, and some of these so-called channelopathies show temperature-sensitive phenotypes, for example for example, paramyotonia congenita, Brugada syndrome, febrile seizure syndromes, and inherited pain syndromes like erythromelalgia (IEM) and paroxysmal extreme pain disorder (PEPD). Nevertheless, most investigations of mutation-induced gating effects have been conducted at room temperature, and thus the role of body temperature, cooling or warming in channelopathies remains poorly understood. We investigated the temperature sensitivity of four Nav subtypes (expressed in HEK293 cells) using the automated patch clamp system SyncroPatch 384: Nav1.3, Nav1.5, Nav1.6, and Nav1.7, and two mutations in Nav1.7 causing IEM (Nav1.7/L823R) and PEPD (Nav1.7/I1461T). The experiments at 15°C, 25°C, and 35°C revealed a shift of the midpoint of the activation voltage dependence (V1/2) to more hyperpolarized potentials with increasing temperature for all investigated subtypes. V1/2 of steady-state fast inactivation, on the other hand, was nearly unaffected. Nav1.3 exhibited strongly slowed inactivation kinetics compared to the other subtypes that resulted in enhanced persistent current, especially at 15°C, indicating a possible role in cold-induced hyperexcitability. Impaired fast inactivation of the PEPD causing mutation Nav1.7/I1461T was significantly enhanced by cooling the temperature to 15°C. The subtype-specific modulation as well as the intensified mutation induced gating changes stress the importance to consider temperature as a regulator for channel gating and its impact on cellular excitability as well as disease phenotypes. Detailed electrophysiological investigation of Navs at different temperatures is essential to understand the properties and to gain a deeper insight into the complex gating mechanisms of Navs at physiological temperature, otherwise important effects might be missed. The data collected in this work can form the basis for the development of detailed neuronal computer models, based on Hodgkin-Huxley or Markov models, which benefit from the here provided high n-number. Understanding the altered gating mechanisms of temperature sensitive pain linked Nav mutations is also essential for the identification of potential therapeutic targets and strategies in the treatment of this diseases.

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